Tinjauan Umum Motor Bakar
Motor torak berbahan bakar bensin merupakan contoh heat engine atau alat yang berfungsi mengubah energi kimiawi pada bahan bakar menjadi energi termal dan menggunakannya untuk memproduksi kerja mekanis. Heat engine dapat diklasifikasikan dalam dua bagian yaitu:
1. Motor pembakaran luar (eksternal combustion engine), yaitu hasil dari pembakaran udara dan bahan bakar memindahkan panas ke fluida kerja pada siklus. Ini dapat dilihat pada steam engine atau turbin uap, baik itu yang menggunakan turbin ataupun torak.
2. Motor pembakaran dalam (internal combustion engine), yaitu fluida kerjanya digunakan dalam proses pembakaran atau oksidasi bahan bakar di dalam mesin dan menghasilkan energi. Motor pembakaran dalam terdiri dari motor penyalaan busi atau Otto engine dan motor penyalaan kompresi atau motor diesel.
Motor pembakaran dalam sangat luas pemakaiannya terutama pada sektor transportasi antara lain karena konstruksi yang sederhana serta rasio daya dan berat yang tinggi. Pada motor pembakaran dalam terdapat banyak jenis yang dapat diklasifikasikan antara lain sebagai berikut :
1. Berdasarkan desain dasar motor
a. Motor reciprocating, yaitu menggunakan elemen yang bergerak bolak-balik di dalam silinder, contoh: motor dengan torak susunan segaris, V, radial, dan berlawanan (opposed).
b. Motor rotary, yaitu menggunakan rotor yang berputar di dalam stator.
2. Berdasaran siklus kerjanya
a. Siklus empat langkah, meliputi antara lain: naturally aspirated (memuat udara dengan tekanan atmosfer), supercharged (memuat campuran bertekanan), dan turbocharged (memuat campuran bertekanan di dalam kompresor yang digerakkan oleh turbin pembuangan).
b. Siklus dua langkah, meliputi antara lain: crankase scavenged (proses pembilasan dengan mengatur letak sistem pemasukan dan pembuangan), supercharged, dan turbocharged.
3. Berdasarkan bahan bakar yang digunakan, yaitu antara lain dengan menggunakan bahan bakar bensin, solar, gas alam, alkohol, hidrogen, dan dual fuel.
4. Berdasarkan cara penyiapan campuran
a. Karburator.
b. Injeksi bahan bakar ke dalam saluran masuk (intake manifold).
c. Injeksi ke dalam silinder.
5. Berdasarkan cara penyalaannya
a. Busi (spark ignition).
b. Penyalaan kompresi (compression ignition).
6. Berdasarkan cara pendinginannya
a. Pendinginan dengan udara.
b. Pendinginan dengan air
c. Uncooled, yaitu pendinginan dengan hanya memanfaatkan konveksi alami dan radiasi.
7. Berdasarkan cara pengendalian beban
a. Throttling bahan bakar dan aliran udara secara bersama-sama sehingga komposisi campuran tidak akan berubah.
b. Hanya pengaturan aliran bahan bakar.
c. Kombinasi antara cara-cara di atas.
8. Berdasarkan desain dan lokasi katup
a. Overhead atau I head yaitu letak katup hisap dan buang berada di atas silinder.
b. Underhead atau L head yaitu letak katup hisap dan buang berada pada satu sisi silinder sehingga konstruksi silinder lebih sederhana namun kurang ideal dari segi pembakaran.
c. Rotary, yaitu letak katup berbentuk rotary.
d. Cross scavenged (pembilasan melintang) yaitu letak katup masuk dan buang berada pada sisi yang berlawanan pada kepala silinder.
e.
f. Uniflow scavenged (pembilasan searah) yaitu katup masuk dan katup buang berada pada kepala silinder yang berbeda.
Siklus operasi motor
Pada mesin reciprocating terdapat torak (piston) yang bergerak maju dan mundur (bolak-balik) di dalam silinder dan memindahkan tenaga atau daya sepanjang batang penghubung atau connecting rod dan mekanisme engkol untuk menggerakkan poros. Rotasi yang tetap dari engkol akan menghasilkan gerakan siklus torak. Torak bergerak ke atas pada posisi engkol titik mati atas (TMA) dan bergerak ke bawah pada posisi engkol titik mati bawah (TMB) ketika volume silinder akan minimum dan maksimum. Volume silinder minimum disebut volume sisa (clearance volume) Vc , dan volume silinder akan bergerak oleh perubahan torak. Perbedaan antara volume maksimum Vt dan volume sisa Vc disebut volume perpindahan Vd
Motor bakar bensin bekerja berdasarkan sistem empat langkah atau dua langkah. Pada motor empat langkah memiliki urutan langkah kerja sebagai berikut:
1. Langkah hisap
Pada langkah hisap, torak bekerja dari TMA (titik mati atas) ke TMB (titik mati bawah) yang menyebabkan ruang di atas torak membesar dan mengakibatkan tekanannya menurun sampai di bawah tekanan udara luar (atmosfer). Karena itu udara luar masuk ke dalam silinder. Pada motor bakar yang dilengkapi supercharger atau turbocharger, udara masuk silinder pada tekanan lebih tinggi dari tekanan atmosfer. Sehingga massa jenis udara yang masuk ke dalam silinder lebih besar dan dapat membakar bahan bakar lebih banyak untuk menghaslikan daya mesin lebih tinggi dengan ukuran mesin yang relatif sama.
2. Langkah kompresi
Ketika langkah kompresi, torak bergerak dari TMB ke TMA yang menyebabkan ruangan di atas torak mengecil dan tekanan gas di dalamnya meningkat terus sampai dicapai TMA. Pada kedudukan itu busi dinyalakan (pada motor bensin) sehingga campuran bensin dan udara terbakar serentak yang mengakibatkan melonjaknya tekanan gas yang dibakar dan mendorong balik torak ke arah TMB.
3. Langkah ekspansi
Gas hasil pembakaran dengan suhu dan tekanan yang tinggi melakukan ekspansi dan mendorong torak dari TMA ke TMB. Kerja ekspansi ini dipakai untuk memutar poros engkol dan sebagian tenaganya dipakai untuk melakukan langkah torak selanjutnya.
4. Langkah pembuangan
Setelah langkah ekspansi berakhir, gas hasil pembakaran yang sudah habis tenaganya dibuang keluar dengan langkah dari TMB ke TMA. Sesudah itu proses berulang dengan urutan seperti di atas. Pada setiap langkahnya, poros engkol berputar setengah rotasi. Jadi dengan demikian untuk satu siklus penuh diperlukan dua rotasi poros engkol
Pada motor dua langkah, satu siklus penuh dilakukan pada satu rotasi poros engkol. Sehingga motor dua langkah putarannya lebih tinggi. Pada motor ini, langkah ekspansi dibarengi dengan langkah pembuangan dan langkah hisap. Sedangkan langkah kompresi dibarengi dengan langkah pembuangan dan hisap. Untuk itu pengaturannya dilakukan dengan proses pembilasan (scavenging)
Adapun perbandingan antara motor siklus empat langkah dan siklus dua langkah dapat dilihat pada tabel di bawah ini.
Perbandingan motor dua langkah dan empat langkah
| Siklus Dua Langkah | Siklus Empat Langkah |
| 1. Dalam 1 putaran poros engkol dihasikan 1 langkah kerja 2. Bobot motor lebih ringan dan ukuran kecil untuk daya yang sama 3. Kapasitas pendinginan dan pelumasan besar 4. Tidak ada mekanisme katup, hanya port (lubang) 5. Harga awal lebih rendah karena tidak ada mekanisme katup dan konstruksi sederhana, bobot ringan 6. Efisiensi volumetrik dan termal rendah 7. Lebih mudah distart, gas buang menimbulkan kebisingan lebih besar | 1. Dalam siklus lengkap, hanya 1 langkah kerja ketika poros engkol berputar dua kali. 2. Daya yang kecil untuk ukuran motor yang sama 3. Kapasitas pendinginan dan pelumasan rendah 4. Adanya katup dan mekanisme katup 5. Harga awal lebih tinggi 6. Efisiensi volumetrik dan termal lebih tinggi 7. Gas buang tidak bercampur fluida kerja dan tidak terlalu bising |
Operasi Motor penyalaan Busi
Pada sistem motor penyalaan busi, udara dan bahan bakar dicampur bersama di dalam sistem pemasukan sebelum masuk ke dalam silinder dengan menggunakan karburator atau sistem injeksi bahan bakar. Setelah itu campuran dimasukkan ke ruang bakar melalui katup hisap (motor empat langkah) atau port (motor dua langkah). Katup hisap dan buang tertutup selama langkah kompresi ketika torak bergerak dari titik mati bawah ke titik mati atas.
Campuran bahan bakar dan udara yang terkompresi akan dibakar oleh busi sebelum torak mencapai titik mati atas biasanya pada sudut 5-10ยบ. Pembakaran ini akan mengakibatkan terjadi kenaikan tekanan dan temperatur pada sistem. Tekanan gas yang tinggi akan mendorong torak bergerak ke titik mati bawah dan memutar porors engkol sehingga menghasilkan kerja output selama proses ekspansi.
Pada akhir langkah ini dilanjutkan langkah pembuangan dan proses berulang kembali.
Keseimbangan Energi
Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi dapat diubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain, namun tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan. Untuk itu diperlukan keseimbangan energi pada input dan outputnya.
Pada motor pembakaran dalam bolak-balik (reciprocating), bahan bakar yang dibakar bersama udara di dalam ruang bakar mengalami perubahan energi dari energi kimiawi menjadi energi panas.
Energi ini tidak dapat dipergunakan seluruhnya untuk menggerakkan torak karena adanya kerugian pada pembuangan, radiasi, dan pendinginan. Energi yang tersisa diubah menjadi daya yang disebut daya indikasi (indicated horse power) atau ihp yang akan menggerakkan torak.
Energi ini akan mendorong torak, lalu batang hubung (connecting rod) dan poros engkol (crankshaft). Pada proses perpindahan energi mekanik ini akan menimbulkan kerugian seperti gesekan, pumping, dan lain-lain. Jumlah keseluruhan dari kerugian (losses) yang diubah menjadi daya disebut daya gesekan (friction horse power) atau fhp. Energi akhir yang tersisa berupa energi mekanis yang disebut brake horse power atau bhp.
No comments:
Post a Comment